1、研究与探讨l蓬麴CTCS-1级列控系统车载设备研发探讨随着我国铁路技术装备的不断升级，列车运行控制技术也随之发展。2004年铁道部发布了科技运函200414号CTCS技术规范总则(暂行)，建立了中国列车运行控制系统(CTCS)。CTCS是为了保证列车安全运行，并以分级形式满足不同线路运输需求的技术规范。1 CTCS一0级列控系统车载设备LKJ技术特点及不足列车运行监控装置(LKJ)是列车运行控制系统体系的组成部分，用于防止列车冒进信号、运行超速事故和辅助机车乘务员(含动车组驾驶员)提高操纵能力的重要行车设备。在安全性、可靠性、系统冗余设计等方面的局限性逐渐引起人们的重视。(1)故障一安全方面需
2、要进一步加强。LKJ采用主从机热备冗余，因此LKJ只有主机故障交权，没有备机强制夺权设计，只能在上电、复位或人工干预的情况下主、备机才能切换控制权。单机运行具有一定的安全隐患。常用制动、紧急制动采取得电制动方式，具有一定的安全隐患，不符合故障一安全原则。(2)测速测距系统需要进一步改善。列车运行中LKJ根据机车速度传感器提供的速度信息计算距离，依此调出存储在数据芯片内的数据。当机车轮对在钢轨上滑行或空转时，LKJ计算的列车运行距离与地面的实际坐标可能会产生误差，造威列车冒进关闭的信号机或放风停车。(3)人工干预过多，列车运行中需机车乘务员参与操作。LKJ采用车载数据方式，机车乘务员需要人工选择
3、侧线股道、支线号等，易错误操作，带来严重安全隐患。宫建基(4)不能接收地面信息，增加了人工干预机会，临时碾速控制只能采取jC卡控翩方式，如因为时钟误差、写卡错误等问题易发生失控。(5)车载数据更换频繁，数据、模式芯片经常拔插，不仅工作量大，降低了设备可靠性，而且存在错换、漏换等诸多安全隐患。(6)LKJ的可靠性需要加强。由于铁路电力和内燃机车上使用的大功率设备较多，特别是一些大的感性负载启停时会给机车的电器系统造成严重污染，使得机车电压有较大幅度的升降，机车上的电机启停、头灯开启时的拉弧，还会产生很高的尖脉冲干扰，容易造成系统死机或板件烧损。l 7)人机交互系统没有冗余功能。显示器的黑屏、白屏
4、等故障直接影o!自LKJ的作用发挥，将会导致机车无法正常操纵，严重危及运行安全，故障统计分析表明显示器故障较多，占LKJ系统故障总件数的40左右。2 CTCS-1级列控系统车载设备研发的主要方向针对CTCS一0级列控系统车载设备LKJ在列车运行和安全管理中存在的问题，根据运用经验，综合比较JTCZ2000型机车信号和动车组200C、200H、300丁、300S型ATP设备，提出LKJ系统功能进一步改进的设想，建议CTCS一1级列控系统车载设备的基本功能主要应该从以下4个方面来考虑。(1)安全防护。在任何情况下防止列车无行车许可运行；防止列车超速运行防止列车超过进路允许速度，2012年笫2M 1
5、7万方数据曩鬃蓟-：jJ曼J技木三d l研究与 探讨防止列车超过线路结构规定的速度，防止列车超过机车车辆构造速度，防止列车超过临时限速及紧急限速，防止列车超过铁路有关运行设备的限速：防止列车溜逸；测速环节应保证在一定范围内的车轮滑行和空转不影响超速防护功能，并具有轮径修正能力。(2)人机界面。能够以字符、数字及图形等方式显示列车运行速度、允许速度、目标速度和目标距离：能够实时给出列车超速、制动、允许缓解等表示及设备故障状态报警；机车乘务员输入装置应配置必要的开关、按钮和有关数据输入装置：具有标准的列车数据输入界面，可根据运营和安全控制要求对输入数据进行有效性检查。(3】检测功能。具有开机自检和
6、动态检查功能，具有关键数据和关键动作的记录功能及监测接口。(4)可靠性和安全性：按照信号故障导向安全原则进行系统设计，采用冗余结构，满足电磁兼容性相关标准。CTCS一1级列控系统车载设备必须考虑既有机车的安装位置和所处空间，结合机车信号进行一体化设计，尽量减少设备体积。其中安全设备具有故障一安全特性的保障列车运行安全所必需的功能。3 CTCS-1级列控系统车载设备技术方案31设备冗余结构的比较为满足系统的安全性和可靠性要求，CTCS一1级列控系统车载安全设备均需采用冗余结构，包括双机热备、三取二、二乘二取二等，冗余结构比较见图1。双机热备系统是两个模块同时工作，互为备用，如果通过故障检测发现工
7、作模块发生故障，通过切换装置，切换到备用模块工作；三取二结构构成的系统是三个模块同时工作，只要两个模块工作正常，系统就能正常工作，能屏蔽掉一个故障模块；二乘二取二结构构成的系统采用双重结构，内层是两个互为校核的模块，组成一系，只有此系中两模块都正常，输18 2012年第2期a双机热备的各级组织累统b三取二结构的系统田1冗余结构比较CZ秉二取二结构的系统出才能正常，相当于“逻辑与”的关系，外层相同的两系构成互为备用的结构，与双机热备功能相同，由此可知二乘二取二结构构成的系统是互为校核与互为备用的组合。根据文献5的推理与仿真，安全计算机采用二乘二取二冗余结构，在可靠性和安全性综合指标上，相对双机热
8、备和三取二的冗余结构具有明显的优势。二乘二取二车载安全设备主要由电源模块、地面信息接收译码模块、列车速度测试模块、信息处理与控制模块、输入输出模块和显示模块等组成。为了提高系统的安全性，每个模块都采用双处理器同时工作，当两个处理器运算结果不一致时，使输出结果导向安全侧。32测速测距方式的选择列车测速测距模块是车载安全设备的重要部件，运行速度及走行距离是列车运行中的基本参数，也是车载设备判断列车运行状态的主要依据，所以测速测距系统必须为车载安全设备提供可靠的速度和距离参数，在列车发生空转、滑行时消除测速测距的误差。测速测距的常用方式有：光电转换式速度传感器，其工作原理是：机车运行时，传感器产生频
9、率方波信号，供车载设备根据控制参数对机车速度、空转、方向、滑行等进行采样检测。多普勒雷达速度传感器，利用多普勒效应原理使得发送信号和接收信号间，产生一个与速度成正比、与角度也有关的频率偏移。内部DSP系统分析所获得的频率偏移，计算出实际速度，通过通信接口输出。异种测速传感器不同轴测量方式。应用不同的测速传感器，速度的传感变化原理不同，克服了共模错误，既提高了准确性，又保证了测速信号的稳定性。LKJ系统采用轮轴速度传感器来实时测量列车的运行速度，并万方数据根据机车轮径计算列车的走行距离。在空转、滑行工况下，尽管也根据不同机车的牵引特性曲线采取加速度或减速度抑制等方式，其测速测距仍具有较大的误差。
10、因为距离误差、速度突升等原因造成放风停车的情况仍时有发生，从而影响LKJ的正常工作，存在较大安全隐患。根据CTCS一3级列控系统动车组ATP设备的运用经验和文献6的理论分析，建议CTCS一1级列控系统车载设备采用轮轴速度传感器和多普勒雷达测速装置组合式，其各自的作用是：轮轴测速完成速度的精确测量，控制列车的超速防护和定点停车：多普勒雷达测速检测列车的空转和滑行。33双显显示器的设计显示器作为LKJ的重要组成部分，除显示列车距前方信号机距离、信号机显示状态外，还显示列车运行前方4 km以内的线路纵断面、曲线、车站、信号机坐标、限制速度曲线、优化操纵曲线、接触网分相绝缘位置等信息，极大地方便了乘务
11、员合理操作机车。显示器的黑屏、白屏等故障直接影响LKJ的作用发挥，导致机车无法正常操纵，严重危及运行安全。双显显示器主要包括主显示屏、辅显示屏、显示切换开关、固定功能按键区、数据通信USB接口等(见图2)，考虑到与既有机车的安装位置，建议将固定功能按键区设计在主显示屏的一侧。主显示屏仍与LKJ相同采用数据图形化界面，辅显示屏主要显示当前速度、限制速度、当前信号状态、目标距离信息。为方便软件升级和数据更换利用USB存储设备对电子盘程序进行升级。正常情况下主显示单元(触摸屏)作为显示媒介，辅显示单元备用。当主显示单元故障时，可通过人工操作切换开关或软件自动判断切换到辅显示c卡感应区 襞 萼絮曩：棼
12、畚舅酱嚣一r r，r，r，Il-哩l图2双显显示器研究与探讨l塑随单元，作为应急操作依据。人工切换。机车乘务员可通过操作切换开关的方式，将显示切换到辅显示单元，此时辅显示单元开始显示相应的内容，主显示单元没有任何显示：如果显示切换开关从辅显示切换到主显示，则辅显示单元不进行任何显示，主显示单元开始正常显示。自动切换。为提高整个系统的可用性和可靠性，当主显示单元与主机的通信中断后，双显显示器能够自动切换到辅显示单元。切换是由显示器软件根据具体情况自动进行的，无需人工介入，切换后主、辅显示单元的处理方式与人工切换时相同。3。4车藏设备通信方式的选择LKJ监控记录插件是系统的核心，以32位微处理器M
13、C68332为CPU，主要完成地面线路数据的存储与调用、运行状态数据的记录与同步、控制模式曲线的计算、实时时钟的产生，通过双路CAN串行总线和VME并行总线实现对系统其他模块的控制与管理。其他模块中带CPU的模块通过CAN网络与监控记录模块交换数据，而不带CPU的模块通过VME并行总线与监控记录模块连接。工作主机与热备主机之间的数据交换是通过同步通信实现的。记录用数据存储器与实时时钟器件采用非易失性存储器件，在无需外部电池情况下实现数据的长期可靠保存。记录数据的转储和与TAX箱之间的信息交换通过RS一232通信接口完成。针对车载设备通信可靠性要求高、实时性要求强、与控制系统密切相关的计算机网络
14、的特点，建议采用异步串行总线，集成各类安全装备包括机车信号设备、录音装置、无线传输设备、卫星定位装置等，充分考虑既有机车的安装位置和所处空间，结合机车信号设备进行一体化设计，例如：采取CTCS一2级列控系统200H、200C型ATP设备将机车信号功能集成为1块FSK插件板的方式，由FSK传感器(机车信号接收线圈)接收轨道电路连续信息，由FSK模块进行译码处理，将机车信号显示在显示器上，同时将译码结果传送给系统主机，减少外部联线和设备体积，提高可靠性，方便故2012年第2期 19万方数据幽l研究与探讨口卫卫霹田口田卫班田盈 I Y障应急处理。35数据存储方式的改进LKJ以轨道电路和机车信号设备作
15、为列车运行指令信息源以线路数据预置于主机的独特方式获取运行线路参数信息，实现列车超速防护功能。LKJ运行控制程序(U3、U4)与地面线路数据(U5、U6)存放在监控记录插件的M27C801芯片内，运行记录数据存放于DSl250芯片(U11一U14)内，显示器程序和数据存放在内部PCI04主板的DOC盘内(MD2202一D32)。M27C801是一种可编程EPROM器件，每次更换数据时需先用紫外线进行擦除，然后通过专用编程器将需更换的数据写入其中，检测人员使用专用工具更换监控记录插件上的U5、U6芯片。由于LKJ采用车载数据存储方式，因旋工造成线路限速、信号机位置变动等原因，以及控制软件版本的升
16、级等需要不断更换数据，不可避免地增加了数据换装工作量和诸多不安全因素，因错换、漏换造成的事故时有发生。给机车乘务员平稳操纵和列车安全运输带来重大隐患。随着存储技术的发展，性能更好的存储介质不断增多，CTCS一1级列控系统车载设备程序存储、数据记录应选取合适的记录介质。在不同的工作环境下选取不同的介质，同时还要设计优化压缩算法，以便在有限的介质容量下记录尽可能多的数据信息。36采用大容量无线Ic卡目前LKJ运行数据的记录与转储、临时揭示命令的写入都采用接触式IC卡，使用中发现接触式lC卡存在不足之处，其一接触式IC卡是通过卡上的接触金属部分交换信息。为了保证接触，卡上的接触金属部分必须是外露式，
17、这种外露式的金属部分很容易因为反复插拔或其他原因而磨损，因此现有的接触式IC卡很不耐用，是一种易耗品；另一方面，对于数据的记录与转储、临时揭示命令的写入。接触式lC卡因磨损接触不良或损坏将导致记录数据的中断或丢失，而影响行车安全和数据转储的准确性，因此需要加以改进。开发一种适用于LKJ数据读写与存储的非接触式无线lC卡系统，以提高其对LKJ数据的读写与存储适应性。例如数据转储、临时揭示命令的写入使用非接触式无线IC卡，车载基础数据和程序升级使用专用USB接口设备。37增加GPS时钟校对功能LKJ系统运行中时钟不可避免地存在误差，管理文件规定机车出入库检测时时钟误差不得超过30 S，目前的时20
18、 2012年第2期钟一直依靠检测人员进行调整，导致各机车之间时间不统一。时间误差很大时对IC卡临时限速控制、行车调度、故障诊断记录等方面影响很大。全球定位系统(GPS)系统由位于地球上空24颖卫星和管理这群卫星的5个地面站组成，这些卫星用原子钟作为标准时间，24 h连续向地球播发精确的时间及位置信息。为此需要增加车载设备的GPS时钟自动校对功能，研发基于无线通信的地一车自动校时系统，利用GPS的标准时间，在机车出入库时自动为车载设备提供精确的统一时间，实现各台机车车载设备时钟的协调一致，提高运输的安全性和可靠性。38增加输入电压记录功能LKJ系统的正常工作电压为77137V，由于电力和内燃机车
19、上一些大的感性负载启停时会给机车的电器系统造成严重污染，使得机车电压有较大幅度的涨落；机车上电机的启停、头灯开启时的拉弧，还会造成很高的尖脉冲干扰。为了保护LKJ，系统设计了过压抑制板。过压抑制板的电路由4部分组成：分别是机车工况信号的瞬变干扰信号吸收电路、电源滤波电路、开关量输出信号的瞬变干扰信号吸收电路、延时电路。过压抑制板上有3个48芯插座，机车各种条件信号经主机后的盖板插座、机箱内配线送到插座11，经过过压抑制板处理后，并联送到X19、X20，通过母板送到数字量输入输出插件。为便于分析LKJ烧损、电源不良等故障原因、界定责任，需要增加车载设备的输入电压记录功能。39制动方式的选择L K
20、 J数字量输入输出插件主要完成机车工况(110V)的隔离与转换，输出至监控记录插件：完成监控记录插件卸载、常用与紧急制动控制指令的执行输出。其中卸载、减压、关风及三路备用输出通道为单路继电器输出。为保证紧急制动的可靠性，采用双继电器输出。紧急制动通道中采用RL8、RL9两个继电器，共有有4种状态。便于在不实施紧急制动的情况下可检测紧急制动通道和紧急制动电控阀电缆线及线圈是否正常(见表1)。LKJ常用制动、紧急制动采取得电制动方式存在一定的安全隐患，建议CTCS一1级列控系统车载设备在故障一安全方面采用失电制动的方式，同时增加与机车制动系统的隔离开关，在特殊情况下可以切除车载设备对机车紧急制动回
21、路的控制。310增加地面点式信息接收功能CTCS一1级列控系统车载设备应以具有独立知识产权的车载数据方式为主，增加地面点式信息读取模块，使车万方数据裹1 LKJ紧急制动继电器状态一地间建立交互纠错联系，及时修正距离误差、增加施工临时限速接收功能、减少机车乘务员的人工干预，减少频繁更换车载数据导致设备可靠性降低、维护成本增加等问题，减少管理难度，既可适用于既有铁路又可适用于高速铁路的运行控制。设备通过点式信息读入模块获取的地面信息，使车载设备能获取前方线路信息，确定列车位置及列车的运行方向，获得进路信息及临时限速信息。3”完善调车作业控制功能调车作业频繁、复杂，加上信号密集、轨道无码，易造成各种
22、调车事故，如调车冲突、脱轨、车辆溜逸等。针对调车防护的薄弱，各部门、相关企业在不断探索各种类型、级别的调车防护办法和设备。从早期的规章制度，到平面调车灯显系统，再到平面调车系统与监控装置的结合，每一步都提高了调车安全的机控程度。建议在CTCS一1级列控系统车载设备中增加相对完善的“无线调车监控系统”，减少调车事故的发生。3。12完善无线数据传输功能在车载设备一体化设计的基础上，完善无线数据传输功能，实时了解车载设备和地面信号的工作状态，方便应急故障处理，实现机车运行安全信息的自动采集，机车信息和地面信息的双向互动传输，机车运行实时信息与地面线路、设备档案及其他相关信息的融合。还可以实现车载数据
23、的无线载入。利用监测接口可以开发“车载设备入库自动检测系统”，在机车入库的行进过程中，自动完成对车载设备的检测工作，并将检测结果传输给地面的检测终端计算机，同时又依托系统管理软件和计算机网络，实现设备台账管理、故障管理等，以及管理层远程数据共享等管理功能。4结束语综上所述，现有LKJ及相关设备已不能满足运行安全研究与探讨l幽的需要，必须尽快升级，研发新一代CTCS一1级列控系统车载设备，遵循故障一安全原则，采用二乘二取二结构，结合机车信号进行一体化设计，将现有ATP先进性与LKJ实用性结合起来，融合现有设备各项先进技术，使无线传输、点式应答器及轨道电路共同作用干机车，真正实现地面、空中、车载三
24、位一体控制，逐步实现以机控为主、人控为辅的操作系统。5参考文献fll中华人民共和国铁道部科技运函200414号CTCS技术规范总则(暂行)S】【2J杨志刚LKJ2000型列车运行监控记录装置【M】北京：中国铁道出版社，2003【31徐啸明列控车载设备：CTCS2200H型lM】北京：中国铁道出版社，20071414 刘兆建中国列车运行控制系统的技术解析【J】城市轨道交通研究，2009(1 2)15l宋红霞，王玉松，王利锋，等列车自动防护系统安全计算机可靠性与安全性分析【J1工业控制计算机，2008(116l董林测速装置在地铁ATP中的应用fJl铁道通信信号，2010(12)17】林颖，王长林车
25、载列车自动防护系统对空转及滑行的检测与校正方法研究【J】城市轨道交通研究201 1(3)责任编辑王志明2012年第2期 21万方数据CTCS-1级列控系统车载设备研发探讨作者： 宫建基作者单位： 济南铁路局青岛电务段,山东青岛,266001刊名： 铁路技术创新英文刊名： Railway Technical Innovation年，卷(期)： 2012(2)参考文献(7条)1.中华人民共和国铁道部 科技运函200414号CTCS技术规范总则(暂行)2.杨志刚 LKJ2000型列车运行监控记录装置 20033.徐啸明 列控车载设备:CTCS2-200H型 20074.刘兆建 中国列车运行控制系统的技术解析期刊论文-城市轨道交通研究 2009(12)5.宋红霞;王玉松;王利锋 列车自动防护系统安全计算机可靠性与安全性分析 20086.董林 测速装置在地铁ATP中的应用期刊论文-铁道通信信号 2010(12)7.林颖;王长林 车载列车自动防护系统对空转及滑行的检测与校正方法研究期刊论文-城市轨道交通研究2011(03)本文链接：http:/
